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成煤作用早期阶段植物-腐植体-镜质体分子结构演化机制

批准号:
42102225
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
刘宇
学科分类:
煤地质学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘宇

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
煤炭形成机制是煤地质学基础课题,其对煤炭及煤系伴生资源勘探开发、古环境重建均具有重要意义。项目以分子结构演化为主线,探究成煤作用早期阶段植物-腐植体-镜质体的演化机制。拟基于碳13核磁共振等实验表征植物、泥炭、褐煤腐植体、长焰煤镜质体分子结构特征,利用显微红外等实验原位表征煤样及植物化石中腐植体、镜质体化学基团特征,构建典型植物成分、腐植体、镜质体分子结构模型。结合微生物模拟实验、分子模拟方法(REMD力场)及生物地球化学理论,探究生物地球化学作用下分子结构降解、转化机理;基于有机地球化学理论及分子模拟方法(ReaxFF力场),探究热-时间作用下分子结构演变机理。综合实验与分子模拟结果,阐明植物-腐植体-镜质体分子结构演化规律,以解决“成煤作用早期阶段植物-腐植体-镜质体分子结构演化机制”这一科学问题,为低煤阶煤高效利用、低煤阶煤层气勘探开发及煤分子中关键地质信息解析提供科学支撑。
英文摘要
The forming process of coal is one of the key and basic topics in coal geology. It is of great significance to the utilization of coal resources, the exploration of coal-measuring mineral and gas resources, and the reconstruction of paleoenvironment. The project focuses on the evolution of molecular structure to explore the evolution mechanism of plant-huminite-vitrinite during peatification and early coalification process. It is proposed to characterize molecular structure of plants, peats, huminite in brown coals, and vitrinite in long flame coals based on 13C nuclear magnetic resonance and other experiments. Micro-FTIR experiments will be used to characterize the molecular structure of himinite and vitrinite in situ in coal samples and fossil samples. Then, the molecular structures of typical plant components, huminite and vitrinite will be reconstructed. The evolution mechanism of molecular structure under the action of biogeochemistry will be explored by combining the microbial decomposition simulation experiment, molecular simulation (REMD force field) and biogeochemical theory. And the evolution mechanism of molecular structure under the action of heat and time will be studied based on organic geochemistry theory and molecular simulation (ReaxFF force field). By comprehensive analysis of the experimental results and molecular simulation results, the molecular evolution of plant-huminite-vitrinite will be clarified, to solve the scientific problem: “the evolution mechanism of plant-huminite-vitrinite molecular structure during peatification and early coalification process”. The project will provide scientific support for the highly efficient utilization of low-rank coal, the exploration of low-rank coalbed methane, and the analysis of key geological information in coal molecule.
煤的形成是煤地质学基础性科学问题,其与煤及煤系资源的形成、利用密切相关,但关于煤的形成一直存在着较大争议或理论空白。在国家自然科学基金的支持下,项目针对于煤中腐植体(镜质体)形成机制这一煤地质学关键科学问题,从分子层面开展了系统的研究,研究对象涵盖了樟树木质部、泥炭、富腐植体褐煤、富镜质体长焰煤、植物化石、浸泡后木材等植物演化成煤过程中各阶段物质,研究方法包括了煤岩学分析、基础参数测定、分子结构分析(碳13核磁共振、纳米红外、XPS等)、分子结构建模与模拟分析等。项目取得了如下认识与成果:① 建立了植物-泥炭-腐植体的分子结构演化模式,将腐植体分子结构的形成划分为了三个阶段:纤维素降解及木质素醚键连接断裂阶段、木质素甲氧基断裂与羧基形成阶段、木质素产物聚合阶段,从分子水平上厘清了腐植体形成机制;② 精细研究了腐植组不同显微组分分子结构差异性,探明了纤维素对煤炭形成的贡献,进一步认识了木质结构体中纤维素存在的分子形式;③ 探明了镜质体形成的分子级机制,发现了纤维素及其产物形成的镜质体组分芳香碳含量更高,除脂肪结构断裂之外,芳构化作用也是镜质体形成的重要形式。④ 从来源物质角度构建了煤等沉积有机质分子结构建模方法体系,建立了更精准的腐植体代表性分子结构模型,在一定程度上解决了煤等沉积有机质分子结构表征数据多解性的问题,同时将这一精准的建模方法进一步应用于了非常规天然气的研究之中。项目系统探究了煤主要组分腐植体(镜质体)形成的分子级机制,研究认识和成果可为煤炭高效清洁利用、煤层气及煤中关键金属勘探开发提供理论支撑。
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